Forskere skaber molekylær diode

For nylig, ved Arizona State University's Biodesign Institute, N.J. Tao og samarbejdspartnere har fundet en måde at lave en vigtig elektrisk komponent i en fænomenalt lille skala. Deres enkelt-molekyle diode er beskrevet i denne uges online udgave af Naturkemi .

I elektronikverdenen, dioder er en alsidig og allestedsnærværende komponent. Optræder i mange former og størrelser, de bruges i en endeløs række af enheder og er essentielle ingredienser til halvlederindustrien. Gør komponenter inklusive dioder mindre, billigere, hurtigere og mere effektiv har været den hellige gral af et eksploderende elektronikfelt, undersøger nu nanoskalaområdet.

Mindre størrelse betyder billigere omkostninger og bedre ydeevne for elektroniske enheder. Den første generation af computer-CPU brugte et par tusinde transistorer, Tao siger, at han bemærker siliciumteknologiens stejle fremskridt. "Nu endda simpelt, billige computere bruger millioner af transistorer på en enkelt chip."

Men på det seneste, opgaven med miniaturisering er blevet meget sværere, og det berømte diktum kendt som Moores lov – som siger, at antallet af siliciumbaserede transistorer på en chip fordobles hver 18.-24. måned – vil til sidst nå sine fysiske grænser. "Transistorstørrelsen når et par tiere af nanometer, kun omkring 20 gange større end et molekyle, " siger Tao. "Det er en af ​​grundene til, at folk er begejstrede for denne idé om molekylær elektronik."

Dioder er kritiske komponenter til en bred vifte af applikationer, fra strømkonverteringsudstyr, til radioer, logiske porte, fotodetektorer og lysemitterende enheder. I hvert tilfælde, dioder er komponenter, der tillader strøm at flyde i den ene retning rundt om et elektrisk kredsløb, men ikke den anden. For at et molekyle skal udføre denne bedrift, Tao forklarer, det skal være fysisk asymmetrisk, med den ene ende i stand til at danne en kovalent binding med den negativt ladede anode og den anden med den positive katodeterminal.

Den nye undersøgelse sammenligner et symmetrisk molekyle med et asymmetrisk, detaljering af hver enkelts ydeevne med hensyn til elektrontransport. "Hvis du har et symmetrisk molekyle, strømmen går begge veje, meget som en almindelig modstand, " observerer Tao. Dette er potentielt nyttigt, men dioden er en vigtigere (og sværere) komponent at replikere (se figur).

Ideen om at overgå siliciumgrænserne med en molekylebaseret elektronisk komponent har eksisteret et stykke tid. "Teoretiske kemikere Mark Ratner og Ari Aviram foreslog brugen af ​​molekyler til elektronik som dioder tilbage i 1974, "Tao siger, tilføjer "folk rundt om i verden har forsøgt at opnå dette i over 30 år."

De fleste bestræbelser til dato har involveret mange molekyler, Tao noter, henviser til molekylære tynde film. Først for ganske nylig er der blevet gjort seriøse forsøg på at overvinde forhindringerne for enkeltmolekyledesign. En af udfordringerne er at bygge bro mellem et enkelt molekyle til mindst to elektroder, der leverer strøm til det. En anden udfordring involverer den korrekte orientering af molekylet i enheden. "Vi er nu i stand til at gøre dette - at bygge en enkelt molekyle enhed med en veldefineret orientering, " siger Tao.

Teknikken udviklet af Taos gruppe bygger på en egenskab kendt som AC-modulation. "I bund og grund, vi påfører molekylet lidt periodisk varierende mekanisk forstyrrelse. Hvis der er et molekyle over to elektroder, det reagerer på én måde. Hvis der ikke er noget molekyle, vi kan fortælle."

Det tværfaglige projekt involverede professor Luping Yu, ved University of Chicago, hvem leverede molekylerne til undersøgelse, samt teoretisk samarbejdspartner, Professor Ivan Oleynik fra University of South Florida. Holdet brugte konjugerede molekyler, hvor atomer hænger sammen med skiftevis enkelt- og flerbindinger. Sådanne molekyler udviser stor elektrisk ledningsevne og har asymmetriske ender, der er i stand til spontant at danne kovalente bindinger med metalelektroder for at skabe et lukket kredsløb.

Projektets resultater rejser udsigten til at bygge enkeltmolekyledioder - de mindste enheder, man nogensinde kan bygge. "Jeg synes, det er spændende, fordi vi er i stand til at se på et enkelt molekyle og lege med det, " siger Tao. "Vi kan anvende en spænding, en mekanisk kraft, eller optisk felt, mål strøm og se responsen. Som kvantefysik styrer adfærden af ​​enkelte molekyler, denne evne giver os mulighed for at studere egenskaber, der adskiller sig fra konventionelle enheder."

Kemikere, fysikere, materialeforskere, beregningseksperter og ingeniører spiller alle en central rolle i det nye område af nanoelektronik, hvor en zoologisk have af tilgængelige molekyler med forskellige funktioner giver råstoffet til innovation. Tao undersøger også molekylers mekaniske egenskaber, for eksempel, deres evne til at svinge. Bindingsegenskaber mellem molekyler gør dem attraktive kandidater til en ny generation af kemiske sensorer. "Personligt, Jeg er interesseret i molekylær elektronik, ikke på grund af deres potentiale til at duplikere nutidens siliciumapplikationer, " siger Tao. I stedet, molekylær elektronik vil drage fordel af unik elektronisk, mekanisk, optiske og molekylære bindingsegenskaber, der adskiller dem fra konventionelle halvledere. Dette kan føre til, at applikationer supplerer i stedet for at erstatte siliciumenheder.

Kilde:Arizona State University (nyheder:web)